Beatriz Perez

Beatriz Pérez Polo

  • Title: Materiales de friccion de metal sinterizado base cobre: Influencia de sus constituyentes en el procesamiento y propiedades tribológicas
  • Defense Date: 17/05/2019
  • Director: Jon Etxeberria

Abstract

En esta tesis se han desarrollado materiales de fricción de matriz de metal sinterizado base cobre orientados a la fabricación de discos de embrague para máquinas de gran tonelaje siguiendo dos rutas de fabricación basadas en las dos rutas industriales más extendidas. Por un lado, la ruta convencional de pulvimetalurgia (compactación + sinterización), y, por otro lado, la que en este trabajo se ha denominado ruta alternativa, similar al proceso industrial sprinkle, que consiste en la sinterización de polvo suelto, depositado previamente en moldes, y su posterior calibrado (prensado en frío) para reducir la elevada porosidad obtenida en la etapa de sinterización.

Este tipo de materiales están constituidos por una matriz metálica, que se conforma durante el proceso de sinterización mediante la unión y consolidación de las partículas de polvo metálico, abrasivos que controlan la fricción y grafito como lubricante sólido para minimizar la vibración y el ruido generado durante el frenado. Dado que, tanto la composición como la microestructura conseguida en el proceso de sinterización juegan un papel importante en el rendimiento de los sistemas de freno-embrague, en este trabajo se ha estudiado la influencia de los distintos constituyentes (abrasivos y grafito), en función de la ruta de fabricación empleada, en la microestructura y propiedades del material de fricción. Este estudio ha servido como punto de partida y como complemento del desarrollo del proceso de fabricación de estos materiales en AMES y de su posterior validación en GOIZPER, donde se han ensayado los discos fabricados industrialmente en un dinamómetro de inercia reproduciendo las condiciones reales de frenado/embragado.

Con el objetivo de definir las especificaciones y características de los materiales a desarrollar en el presente trabajo, en primer lugar, se llevó a cabo un estudio del estado del arte y un benchmarking en el que se caracterizaron discos de embrague de distintos proveedores de GOIZPER. Mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de energías dispersadas de rayos X (EDS) se analizó su microestructura, prestando especial atención al espesor del material de fricción y su adherencia al disco de acero, se identificaron sus constituyentes y se determinó su composición de forma semicuantitativa. Además, se medió su densidad/porosidad y el contenido de grafito (% en peso) mediante LECO. En base a este estudio se establecieron las especificaciones que debía cumplir el material de fricción desarrollado: ~20% de porosidad, 2-4% en peso de grafito y ~11% en peso de abrasivos, además de cara a la fabricación industrial en AMES, el espesor de la lámina de material de fricción debía ser inferior a 1 mm.

A continuación, se desarrollaron las primeras formulaciones (M2 y M3), en las que se utilizaron abrasivos de distinta granulometría, con las que se establecieron los parámetros de procesamiento para cada ruta de fabricación a partir de ensayos de compresibilidad, dilatometría y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Se determinó la necesidad de realizar la sinterización en fase líquida estableciendo una temperatura de 850 y 875 °C para la ruta convencional y alternativa, respectivamente. Para reducir la porosidad de los materiales sinterizados por la ruta alternativa se realizó un calibrado (prensado) con una presión de 200-250 MPa, en función de la porosidad del material sinterizado.

De forma paralela, se realizó un estudio de granulación, con distintos ligantes orgánicos, para mejorar la homogeneidad y la fluidez de las mezclas y evitar la dispersión y la segregación de los distintos constituyentes debido a su variabilidad en cuanto a naturaleza, tamaño y densidad. A pesar de los buenos resultados conseguidos, siempre y cuando la eliminación del ligante se lleve a cabo en atmósfera de aire en una etapa previa a la sinterización (realizada en atmósfera reductora), se descartó este proceso de cara a la fabricación industrial, ya que supone añadir una etapa más en el procesamiento y un mayor coste de producción.

Una vez establecidas las condiciones de procesamiento en las dos rutas de fabricación, se analizó la influencia tanto de la granulometría y morfología de los abrasivos, como de su naturaleza, en el proceso de densificación y propiedades tribológicas de los materiales de fricción. Para ello, se desarrollaron distintas formulaciones, por un lado, utilizando abrasivos de distinta granulometría y, por otro lado, se analizó la influencia de la concentración (% peso-volumen) de los distintos abrasivos (sílice, mullita y circón). Se estudió el grado de densificación del material de fricción en función de estas variables para cada ruta de fabricación, así como la resistencia mecánica mediante ensayos de flexión en tres puntos y las propiedades tribológicas a través de ensayos del tipo pin-on-disc, evaluando el coeficiente de fricción (µ) y el desgaste de los materiales en función de la velocidad de deslizamiento y de la presión de contacto aplicada. Los resultados obtenidos muestran que la granulometría de los abrasivos, así como su morfología, tiene una gran influencia en la densidad/porosidad conseguida durante la sinterización (especialmente en la ruta alternativa) y, por lo tanto, en el comportamiento tribológico de los materiales, siendo más favorables los abrasivos gruesos y de morfología redondeada, como la del circón. Aumentando la cantidad de mullita se consigue una mayor estabilidad del coeficiente de fricción y un menor desgaste, sin embargo, hay que destacar que bajo las condiciones más severas ensayadas el desgaste del material es muy elevado.

Posteriormente, se analizó la influencia del grafito, tanto su concentración en la formulación (% peso), como su naturaleza (natural o sintético), en las propiedades del material de fricción. Se desarrollaron distintas formulaciones y se analizó su grado de densificación, sus propiedades mecánicas mediante ensayos de flexión tres puntos y su comportamiento tribológico a través de ensayos pin-on-disc. De este estudio destaca que el aumento de la concentración de grafito, aunque supone una reducción de la densidad y de la resistencia mecánica, mejora la estabilidad del coeficiente de fricción, aumenta la resistencia al fade (reducción del µ al aumentar la velocidad de deslizamiento) observada en los materiales con un menor contenido de grafito, y reduce el desgaste del material.

De forma paralela, en AMES se desarrolló un proceso de producción de discos de embrague de 200 mm de diámetro, basado en la ruta alternativa seguida en este trabajo, a partir de las mezclas desarrolladas en CEIT. Se fabricaron estos discos de forma satisfactoria cumpliendo la mayoría de los requerimientos; sin embargo, la porosidad conseguida es superior a la de los materiales desarrollados en CEIT, sobre todo en M3 y M4Z (materiales ensayados en el banco de ensayos de GOIZPER), y está por encima de la porosidad objetivo establecida en este trabajo, por lo que sería necesario aplicar una mayor presión de calibrado para reducir este valor.

Finalmente, los discos fabricados a escala real (200 mm de diámetro) en AMES se ensayaron en un banco de ensayos diseñado en GOIZPER para reproducir las condiciones reales de trabajo y se han comprado los resultados obtenidos con los de algunos discos comerciales ensayados bajo las mismas condiciones. De los discos fabricados en este proyecto destaca el material M4Z con 4% de grafito y 11% de circón (granulometría gruesa y morfología redondeada) que, a pesar de la mayor tasa de desgaste, presenta un µ estable a lo largo de los distintos ciclos y superior al de la mayoría de los discos comerciales ensayados.